Experimental Verification of the Petroelastic Model in the Laboratory – Fluid Substitution and Pressure Effects Vérification expérimentale du modèle pétroélastique au laboratoire – Substitutions de fluides et effets de pression

Autor: Rasolofosaon P. N.J., Zinszner B.
Jazyk: English<br />French
Rok vydání: 2012
Předmět:
Zdroj: Oil & Gas Science and Technology, Vol 67, Iss 2, Pp 303-318 (2012)
Druh dokumentu: article
ISSN: 1294-4475
1953-8189
DOI: 10.2516/ogst/2011167
Popis: The poroelastic model is a major component in the workflows for the interpretation of time-lapse (or 4D) seismic data in terms of fluid repartition and/or pressure variation during the exploitation of reservoirs. This model must take into account both the fluid substitution effect and the pressure variation effect on the measured seismic parameters (velocities, impedance). This paper describes an experimental verification in the laboratory of this model. Regarding fluid substitution, Biot- Gassmann model is the most popular model. This model assumes that the shear modulus is independent of the nature of the saturating fluid, as long as this latter is not viscous and give the expression of the variations of the bulk modulus of the rock due to fluid substitution as function of the parameters of the rock frame and of the saturating fluids. The experimental validation, dealing with these two items, demonstrates on various samples of sandstone and limestone that the shear modulus of the rock is independent of the not too viscous saturating fluid. This is verified even with viscous fluids (viscosity as large as 104 cP) if the differential pressure, that is to say the difference between the confining pressure and the pore pressure, is high (closure of the mechanical defects); the bulk modulus of the crystal constituent of mono-mineral rocks (limestone, clean sandstone) is close to tabulated values; under fixed differential pressure but variable pore and confining pressures, the variation of the rock bulk modulus can be explained by the nonlinearity of the fluid bulk modulus. These three types of experimental results constitute unambiguous corroborations of Biot-Gassmann theory. Regarding pressure effects, the relevant parameter is the differential pressure Pdiff = Pc – Pp, that is to say the difference between the confining pressure Pc and the pore pressure Pp. More precisely, this means that P-wave and S-wave velocities only depend on the differential pressure Pdiff = Pc − Pp, and not in an independent way on Pc and on Pp. Increasing the differential pressure Pdiff tends to stiffen the rock by closing the mechanical defects (grain contacts, microcracks, microfractures...). The consequence on velocities and attenuations is variable according to the relative abundance of these mechanical defects in the rock sample. Limestones are often weakly pressure dependent, whatever the pressure level. This is due to the ease with which mechanical defects can be cemented by carbonate crystals. Consolidated sandstones are often sensitive to the differential pressure Pdiff and the unconsolidated geomaterials (sands) are very pressure sensitive. The pressure dependence of the velocities is often well approximated by a power law. The exponent of this power law, often called the Hertz exponent, is a good way to quantify the pressure sensitivity of the rock velocities. Le modèle poroélastique est une composante centrale dans les workflows permettant l’interprétation des données de sismique répétitive (ou sismique 4D) en vue de mettre en évidence les mouvements de fluide et/ou les variations de pression lors de l’exploitation des réservoirs. Ce modèle doit prendre en compte à la fois les effets de substitution de fluides et les effets de variation de pression sur les paramètres sismiques mesurés (vitesses, impédances). Cet article décrit une vérification expérimentale au laboratoire de ce modèle. Concernant les effets de substitution de fluides, le modèle de Biot-Gassmann est le plus utilisé. Ce modèl considère que le module de cisaillement est indépendant de la nature du fluide saturant, quand celui-ci est non visqueux, et relie les variations des modules d’incompressibilité de la roche due à la substitution de fluides aux paramètres du milieu poreux et des fluides saturants. La validation expérimentale, portant donc sur les deux aspects, montre sur un échantillonnage varié de grès et de calcaires poreux que le module de cisaillement de la roche est indépendant du fluide saturant peu visqueux. Cette indépendance est vérifiée, même dans le cas de fluides visqueux (viscosité inférieure à 104 cP), si la pression différentielle est élevée (fermeture des microfissures); l’écart entre le module d’incompressibilité mesuré et calculé est toujours faible; le module d’incompressibilité des cristaux formant une roche monominérale (calcaire, grès propre) déduit de la formule de Gassmann est proche des valeurs données dans la littérature pour ces minéraux; lors de mesures sous une même pression différentielle, mais avec des pressions de pore différentes, les écarts observés sur les modules d’incompressibilité sont comparables à ceux prévu par la formule de Biot- Gassmann en prenant en compte la variation du module d’incompressibilité du fluide saturant sous l’effet de la pression de pore (non linéarité). Ces trois dernières observations convergent vers la validation de la formule de Biot-Gassmann pour le module d’incompressibilité. Concernant les effets de pression, le paramètre pertinent est la pression différentielle Pdiff = Pc – Pp, c’est-à-dire la différence entre la pression de confinement Pc et la pression de pore Pp. Plus précisément, nous démontrons que les vitesses des ondes P et S dépendent uniquement de la pression différentielle Pdiff, et non individuellement des pressions Pc et Pp. Cette pression, en contribuant à fermer les micro-défauts mécaniques (contacts entre grains, microfissures), a des conséquences très variables sur les vitesses et les atténuations, suivant l’abondance relative de ces micro-défauts. Les roches calcaires, quelle que soit la pression, sont souvent très peu sensibles à cet effet, à cause de la facilité avec laquelle le carbonate cimente les micro-défauts. Les grès consolidés sont souvent sensibles à la pression différentielle et les roches inconsolidées (sables) très sensibles. La relation Vitesse vs Pdiff est généralement du type loi puissance et l’exposant de cette relation est un excellent moyen de quantifier la sensibilité d’une roche à la pression.
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